氧化石墨烯对脉动热管启动和传热特性影响

张田田 杨洪海* 刘利伟 王耀锋 沈俊杰 张裕宽

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

脉动热管是两相传热装置领域的一种有广阔应用前景的新型装置。脉动热管具有卓越的热量传递性能，应用在冷却电子设备，热回收系统中可以提高其效率。脉动热管结构简单，无运动部件，在传热能力，适应性，成本和应对当今电子设备高集成化小型化方面具有较高的发展潜力，近年来已被国内外许多研究人员广泛研究。

纳米流体的种类有：离子液体、微金属、自湿润流体、碳纳米管等[1～4]。为了追求更高的传热效果，纳米流体成为研究热点，与传统工质相比，纳米流体能够对换热进行强化，因此，为了追求更高的传热效果，有许多的学者在脉动热管中使用纳米流体，研究其传热特性。Mehdi 等[5-6]研究发现使用铁磁流体可以改善稳态热性能，施加磁场可以增加开环脉动热管的启动和稳态热性。

氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，它的导热系数约为6000 W/(m·K)，它良好的导热性可以极大地提升脉动热管的传热特性，延缓烧干等[7-9]。鉴于石墨烯具有疏水性，不易溶于水，并且会发生聚沉情况，有研究者采用氧化石墨烯，来改善其溶解性，进一步强化传热效果[7-9]。本文以氧化石墨烯水溶液为工质，研究其启动特性，分析浓度及充液率等对运行性能的影响。

1 实验装置及试验方法

1.1 工质选择及工况

本实验选取的工质为：去离子水，0.01wt%，0.03wt%，0.05wt%，0.08wt%，0.1wt%氧化石墨烯溶液，脉动热管倾斜角度定义为与水平方向的夹角，根据文献[10]，脉动热管在垂直时启动性能最佳。因此，实验倾斜角度为90°。并涵盖了脉动热管烧干功率以及中等充液率和大充液率。具体实验工况见表1：

表1 实验工况

1.2 工质准备

本实验制备氧化石墨烯采用Hummers 法[11-14]，整个过程可以分为低，中和高温三个阶段：①低温反应：取浓硫酸置入烧杯中，放置冰水浴中30 min 于4 ℃以下，称石墨粉和硝酸钠置入烧杯超声1 h。然后，极其缓慢的将KMnO4加入，继续搅拌并控制反应温度在10 ℃以下，保温2 h。②中温反应：把烧杯移至35 ℃左右的恒温水浴锅，超声1 h。③高温反应：把反应液放入95 ℃水浴中继续搅拌，缓慢的加入去离子水，搅拌反应30 min，放入去离子水终止反应，再加入一定量的双氧水，保持搅拌15 min，最后加入一定量的盐酸。低速离心洗涤过滤酸和副产物，将反应制得的氧化石墨烯与水进行混合，然后将混合液放入超声波震荡器中震荡40 min，本实验采用超声波振荡器型号为上海汗诺（HN-1000CS），超声结束后于2500 r/min 转速下离心30 min，上层液得到的即为氧化石墨烯纳米流体，所得到的溶液为黄褐色。

氧化石墨烯溶液的稳定性以及实验前后变化如图1 所示，可以发现静置一个月后溶液颜色变浅，基本没有沉淀，实验后溶液中的纳米流体聚集在一起，有黑色沉淀产生。

图1 0.01wt%氧化石墨烯溶液变化图

1.3 实验装置

本实验台主要包括紫铜脉动热管，电加热系统，数据采集系统和冷却系统。实验装置见图2。本实验用的脉动热管是外径4 mm、内径2 mm 的铜管，脉动热管总长250 mm，有6 个回路。实验的电加热系统包括电阻丝、直流电源型号（MP1203D）等。如图2 所示，蒸发段采取垂直底部加热方式，把加热丝缠在裹有绝缘胶带的紫铜管上，通过直流电源控制加热功率。数据采集系统如图2 中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 所示对脉动热管壁面温度进行温度变化记录，其中1～6在冷凝段，7～12 在蒸发段。采用标定“K”型热电偶，数据采集用安捷伦（Aglient 34970A），频率1Hz，分辨率0.01 ℃。冷却系统采用强迫对流风冷系统，加热端有保温棉保温。

图2 紫铜脉动热管实验装置示意图

2 数据处理和不确定性分析

2.1 数据处理

脉动热管热阻R 计算公式：

式中：Te和Tc分别为脉动热管达到稳定运行时，蒸发端和冷凝端的各测点温度平均值。P 为电热丝输入功率，可通过公式为P=U·I 计算得到，其中U 是直流电源输入的电压。

蒸发段和冷凝段的温度可根据脉动热管稳定运行时相应测点温度Ti的平均值确定，即：

2.2 不确定性分析

本实验中加热量由P=U·I 得到，U 和I 可由直流电源显示器直接读取。直接测量误差可由测量仪器的测量误差δi直接给出。由误差传递理论可知，间接测量值y 的绝对误差δy与各传递分量绝对误差δxi的关系为：

本实验采用的直流电源，电压范围（0～120 V）和电流范围（0～3 A），当加热功率为10 W 时，电压为20.0 V，电流为0.501 A，则加热功率的不确定度为：

热电偶精度是0.1℃，安捷伦（34970A）的精度是0.0256℃，温度测量的绝对不确定度为：

在加热功率为10 W 时，蒸发端和冷凝端的最小温差为：

所以热阻的最大不确定过度为：

3 纳米流体脉动热管启动分析

脉动热管的工作状态分为启动阶段和稳定运行阶段。脉动热管的启动性能常用启动时间和启动温度来描述，脉动热管只有在一定的加热功率下才会启动。定义从开始加热到开始产生振荡的时间为脉动热管的启动时间，产生振荡时的蒸发段的平均温度为启动温度。

从图3 可以看出：去离子水的启动时间明显高于纳米流体（除0.1wt%外）的启动时间，适当的纳米流体明显的改善了脉动热管的启动情况，随着浓度的增加，启动时间先降低再升高，可以看到浓度0.01wt%时启动时间最短为299 s，去离子水的启动时间为1377 s,在启动时间上纳米流体最高可改善78.2%，改善效果显著。在实验过程中发现纳米流体在10 W 的时候温度均出现了波动，开始启动，而去离子水10 W 时温度一直很平稳，无任何波动情况，20 W 才启动。也可以看出启动温度随浓度的变化，随着浓度的增加启动温度先降低后增加，去离子水的启动温度整体高于纳米流体（除0.1 wt%氧化石墨烯外）的启动温度，浓度为0.1 wt%的氧化石墨烯的启动温度最高，其次是去离子水的启动温度83.23 ℃，其中浓度为0.01 wt%的氧化石墨烯溶液启动温度最低41.24 ℃，启动温度降50.45%。这是因为水的表面张力比较大，导致启动温度过高。在纯工质情况下，不容易产生汽泡，添加纳米颗粒，蒸发段的核化点增加，纳米颗粒和热管壁面碰撞剧烈，更容易产生汽泡，随着汽泡不断脱离壁面进入主水流，壁面附近的扰动增强，热交换过程强化，核态沸腾过程剧烈，从而使得蒸发段的热量传递到冷凝段过程更快。而随着纳米流体颗粒的增加，溶液粘度增加，流体越难流动，启动越困难。并且纳米颗粒存在着聚沉问题，小颗粒聚集成大分子，影响了产生汽泡的效果，从而影响了脉动热管的启动情况，当浓度为0.1wt%时，较短时间产生汽泡的利已经小于粘度增加这种弊。高浓度流体发生沉淀现象明显，这可能是阻碍热管启动的原因。

图3 浓度与启动时间及启动温度关系图

4 纳米流体脉动热管传热特性

4.1 小充液率（20%）传热特性分析

小充液率下不同浓度的纳米流体热阻波动曲线如图4 所示，可以看到整体随着加热功率的增加热阻先减小后增加，去离子水的耐热功率（蒸发端平均温度到达130 ℃的加热功率）为50W，0.01 wt%的氧化石墨烯溶液的耐热功率为55 W，质量分数为0.03 wt%氧化石墨烯溶液耐热功率为60 W，而0.05 wt%，0.08 wt%，0.1 wt%的氧化石墨烯溶液耐热功率为65 W，耐热功率最大增加23%由此可以看出氧化石墨烯浓度增高，能够缓热管烧干。这是因为氧化石墨烯有很好的润湿性。从图4 可以看与去离子水相比，添加纳米流体以后热阻均有所改善，热阻降低。并存在一个最佳浓度为0.08 wt%。

图4 20%充液率各工质热阻曲线

4.2 中等充液率（50%）传热特性分析

充液率为50%时热阻波动曲线如图5 所示，发现随着加热功率的增加热阻降低。这是由于随着吸热量的增加，脉动热管内部产生的气泡数量增多膨胀功增大,加热段和冷凝段的压差增加，从而推动液体从蒸发段流向冷凝段，促进了流体的流动，强化了管内介质的对流换热,从而使得系统热阻下降[15]。高浓度氧化石墨烯水溶液（0.08 wt%，0.1 wt%）的热阻大于去离子水的热阻，低浓度（0.01 wt%，0.03 wt%）的热阻低于去离子水的热阻，中等浓度（0.05 wt%）的热阻最小，表明引入适当的纳米流体可有效加强管内工质流动，增加有效导热系数，但是随着浓度增加，粘度增大，会减弱传热，热阻增大。其中热阻最大可改善34.36%。

图6 为浓度与热阻的关系变化图，从图6 可以看到：热阻随着浓度的增加先降低后升高，当浓度为0.05 wt%时，热阻有最小值。随着功率的增加热阻在一直减小，10 W 时热阻最大，105 W 时热阻最小。

图6 浓度与热阻的关系图

4.3 大充液率（80%）传热特性分析

80%充液率下的纳米流体热阻曲线如图7 所示，从图7 可以发现，随着加热功率的增加热阻整体呈下降趋势，低浓度氧化石墨烯溶液（0.01 wt%，0.03 wt%，0.05 wt%）的热阻低于去离子水的热阻，而高浓度氧化石墨烯溶液（0.08 wt%，0.1wt%）热阻高于去离子水热阻。其中0.1 wt%的氧化石墨烯溶液只能做三个功率，由于30 W 时0.1 wt%氧化石墨烯水溶液的温度很高，基本不启动，从10 W 到30 W 温度直线上升，无回落趋势，故只做了三个功率，由于氧化石墨烯的浓度较高，粘度太大，故无法启动。从排出的工质来看，氧化石墨烯呈大块片状，聚沉在一起，阻碍热管的启动。在充液率为80%时，0.05 wt%氧化石墨烯溶液表现为有较低的热阻。

图7 80%充液率各工质热阻曲线

5 结论

通过以上分析，可得到以下结论：

1）氧化石墨烯溶液可改善脉动热管的启动性能，当浓度低于0.1 wt%的情况下，启动温度与启动时间特性均优于去离子水。本实验氧化石墨烯溶液浓度范围内，启动特性的强化作用随着溶液浓度的提高而恶化，且在0.1 wt%氧化石墨烯溶液浓度下脉动热管启动特性劣于去离子水，这主要是由于0.1 wt%氧化石墨烯溶液浓度过高，加热聚沉现象更为严重，反而削弱了脉动热管的启动。

2）充液率为20%时，各浓度的氧化石墨烯传热特性均优于去离子水，且随氧化石墨烯溶液浓度的提高，耐热功率增加。充液率为50%、80%时，除0.1 wt%浓度下，各浓度的氧化石墨烯传热特性均优于去离子水，且氧化石墨烯最佳浓度为0.05 wt%，最高可改善34.36%。

6 展望

本文通过一系列的实验探究，计算了几种浓度流体的整体热阻，通过分析和去离子水比较，得到了几个浓度的纳米流体传热性能均优于去离子水，希望接下来能通过可视化实验研究，进一步研究其内部传热机理，揭示其内部流动规律。